傾斜地面對(duì)短波天線通信的影響＊

羅光勝 張志剛 孫劍平

（1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）（2.海軍司令部信息化部 北京 100066）

1 引言

在現(xiàn)實(shí)生活中，一般天線所處的環(huán)境并非理想的開闊平地，相反，周圍被高山、樹林、峽谷等遮蔽，天線的輻射性能較之平坦地面會(huì)有所變化。因而實(shí)際中天線通信效果與理想情況并不一致，有時(shí)甚至相差很大［1］。本文將研究?jī)A斜的下坡地形對(duì)通信方向上短波天線的輻射性能的影響。這些研究，將有利于在現(xiàn)實(shí)條件下短波通信臺(tái)站的設(shè)計(jì)以及提高短波通信的效益。

2 天線的架設(shè)高度隨傾斜地面傾斜角和通信仰角的影響

當(dāng)遠(yuǎn)距離通信時(shí)，應(yīng)該根據(jù)通信距離選擇通信仰角，再根據(jù)通信仰角來(lái)確定天線的架設(shè)高度，以保證天線的最大輻射方向與通信方向一致［2］。對(duì)于遠(yuǎn)距離通信，由于要求較小的通信仰角，這樣的天線必然架設(shè)得較高。如果在通信方向上有一傾斜地面，此時(shí)天線的架設(shè)高度較之平坦地面在同一最大通信仰角情況下會(huì)發(fā)生一定的變化。由圖所示的幾何關(guān)系，很容易得出當(dāng)傾斜角為β時(shí)，架于地面上的天線的實(shí)際高度與通信仰角Δ之間的關(guān)系是：

當(dāng)β＝0即為平坦地形下天線的架設(shè)高度和通信仰角關(guān)系：

由此可以得出傾斜地面天線架設(shè)高度和平坦地面上天線架設(shè)高度的關(guān)系為：

由傾斜地面下天線高度計(jì)算式求得圖1，2（設(shè)波長(zhǎng)λ為30m）。

圖1 天線高度隨傾斜角變化關(guān)系圖

圖2 天線高度隨通信仰角變化關(guān)系圖

由圖中數(shù)據(jù)可以看出：

1）在通信仰角Δ為一定時(shí)，隨地面傾斜角度β的增加，天線的高度h會(huì)減小。但有一最小值。當(dāng)2β＋Δ＝90°時(shí)，此坡度下對(duì)應(yīng)的天線高度h達(dá)到最低。當(dāng)傾斜角β繼續(xù)增大時(shí)，會(huì)使得天線高度h增加。當(dāng)βmax＝90°－Δ時(shí)，此坡度下對(duì)應(yīng)的同一通信仰角下的天線架設(shè)高度和平坦地面相等。當(dāng)傾斜角超過(guò)βmax時(shí)，天線高度高于相同條件下平坦地面的天線高度。此時(shí)下坡地形會(huì)增加天線的高度，這是不可取的。

2）當(dāng)?shù)孛鎯A斜角度β一定時(shí)，隨著通信仰角Δ的增大，天線高度h也隨之降低。但是也有一最小值。當(dāng)β＋Δ＝90°時(shí)，天線高度h達(dá)到最低。并且此最小值即為平坦地面下該通信仰角對(duì)應(yīng)下的天線高度。當(dāng)通信仰角Δ繼續(xù)增大時(shí)，天線高度會(huì)增加，并且大于平坦地形下相同通信仰角所需的天線高度。因此，當(dāng)實(shí)際天線周圍的傾斜坡度一定時(shí)，為了最大限度的降低天線高度，通信仰角有一最大值Δmax＝90°－β。當(dāng)通信仰角超過(guò)這個(gè)最大值時(shí)，天線周圍的地形會(huì)使得天線的架設(shè)高度高于平坦地面下所需的天線高度。此時(shí)，不適合在通信方向上傾斜的下坡地面頂端架設(shè)天線。

3 傾斜地面對(duì)地面反射的最小菲尼爾橢圓區(qū)的影響

實(shí)際地面對(duì)天線輻射的影響可以用鏡像法［3］來(lái)考慮。

在入射電波的激勵(lì)下，反射面上將產(chǎn)生感應(yīng)電流。盡管所有的電流元的輻射都對(duì)反射波做出貢獻(xiàn)，但是根據(jù)電波傳播的有效區(qū)概念，反射面上只有在有效區(qū)內(nèi)的電流元對(duì)反射波起主要的貢獻(xiàn)。

設(shè)地面為理想導(dǎo)體，離地面高度為h的水平天線在接收點(diǎn)B處的輻射場(chǎng)應(yīng)該是直射波輻射場(chǎng)和經(jīng)由地面的反射波的輻射場(chǎng)在B處的合成場(chǎng)。根據(jù)電波傳播的菲涅爾區(qū)［4］概念可知，反射波的最小空間通道是以天線的鏡像AT和B為焦點(diǎn)的最小菲涅爾橢球體，而這個(gè)最小橢球體和地面相交的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)橢圓，由這個(gè)橢圓所限定的區(qū)域內(nèi)的電流元對(duì)反射波具有重要意義，稱之為最小橢圓區(qū)［5］。也就是說(shuō)，地面對(duì)垂直面方向圖的形成，不是天線下面的全部地面都具有同等的作用，而是由最小橢圓區(qū)決定。

圖3 地面上的有效反射區(qū)

可以 證 明［6］，地 面 上第一菲涅爾橢圓尺寸為

式中：x0為第一菲涅爾橢圓中心的坐標(biāo)；a為菲涅爾橢圓的長(zhǎng)半軸；b為菲涅爾橢圓的短半軸；d為反射點(diǎn)到天線塔底部的幾何反射距離。

橢圓面積為πab，因此可以認(rèn)為最小橢圓的長(zhǎng)半軸為

短半軸為

這樣便得到了對(duì)垂直面方向起主要作用的最小橢圓區(qū)尺寸的計(jì)算式。最小橢圓區(qū)相關(guān)尺寸（見(jiàn)圖4）如下：

式中：xF為最小橢圓遠(yuǎn)邊界到天線底部的距離；xN為最小橢圓近邊界到天線底部的距離；W 為最小橢圓區(qū)的寬度。

圖4 地面上的最小橢圓區(qū)尺寸

如果在通信方向上有一傾斜地面，由于不同的傾斜角度β的影響，在給定頻率f和通信仰角Δ的情況下，也會(huì)導(dǎo)致天線的幾何反射點(diǎn)水平距離d、最小橢圓區(qū)的尺寸等等都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化［7］。

表1列出了根據(jù)上述討論所設(shè)計(jì)的三副天線的有關(guān)數(shù)據(jù)。其中1＃天線為架設(shè)在平坦地面上作為參考。（設(shè)波長(zhǎng)λ為30m，所要求的通信仰角Δ為30°。）

表1 不同坡度的前傾地面對(duì)短波通信天線的影響

由上表可以看出：

1）對(duì)于同一通信仰角，前傾的傾斜地面可以有效的降低天線的架設(shè)高度。傾斜的坡度越大，天線架設(shè)高度越低。

2）由于天線的架設(shè)高度降低，因此，對(duì)于同一通信仰角下所求的最小菲涅爾區(qū)尺寸也減小。

3）由于傾斜地面的影響，反射點(diǎn)的幾何水平距離朝著天下塔底部的方向偏移，最小橢圓區(qū)的中心也向塔底方向偏移。

由于最小橢圓區(qū)對(duì)形成垂直面的方向圖的第一波瓣是至關(guān)重要的，所以工程上在選擇收發(fā)天線場(chǎng)地時(shí)，必須要特別注意這塊場(chǎng)地的選取和測(cè)量，使天線周圍地形的遮蔽對(duì)最小菲涅爾區(qū)的影響最小。并充分利用通信方向上傾斜的下坡地面，可有效降低天線的架設(shè)高度和減小最小菲涅爾橢圓區(qū)的面積，以達(dá)到最佳的通信效果［8］。

另外，對(duì)“平面型”水平極化短波通信天線而言，比如菱形、對(duì)數(shù)周期偶極子陣天線等，為了利用前傾地面，應(yīng)把天線平面與傾斜地面平行架設(shè)，而不應(yīng)水平架設(shè)［11～12］。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論推導(dǎo)和研究，得出了天線的實(shí)際架設(shè)高度受傾斜地形和通信仰角的關(guān)系，分析了實(shí)際復(fù)雜地形下對(duì)最小有效反射橢球區(qū)的影響并和平坦地面的天線做了比較，給天線的架設(shè)以及天線場(chǎng)地的測(cè)量和選取做了些理論參考。

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